機(jī)箱系統(tǒng)中風(fēng)扇選擇的9大因素介紹

作者：王永康

1、工程背景

大多數(shù)密集封裝的電子機(jī)箱系統(tǒng)使用風(fēng)扇或鼓風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制空氣冷卻。較小的機(jī)箱系統(tǒng)通常使用軸流冷卻風(fēng)扇，其中氣流垂直于風(fēng)扇葉片。然而，較大的機(jī)箱系統(tǒng)可能需要離心式鼓風(fēng)扇在高靜壓情況下提供足夠的氣流。 ? 在機(jī)箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最初階段，工程師就應(yīng)確定對(duì)強(qiáng)制空氣冷卻風(fēng)量需求進(jìn)行預(yù)估。更重要的是，產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，必須為發(fā)熱部件提供良好的氣流，并為冷卻風(fēng)扇提供足夠的空間和功率。 ? 風(fēng)扇選擇需要考慮的因素包括：所需的空氣流量，交流或直流電源，電壓，速度，預(yù)期壽命，EMI / RFI，散熱量，自動(dòng)重啟和噪聲影響。 ? 產(chǎn)品設(shè)計(jì)初始階段是需要預(yù)計(jì)通風(fēng)冷卻機(jī)箱系統(tǒng)所需的氣流風(fēng)量，這主要是取決于機(jī)箱系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的熱量和器件允許的最大溫升。 ? 在估算機(jī)箱系統(tǒng)內(nèi)熱耗時(shí)，應(yīng)該考慮器件負(fù)載發(fā)生變化或者發(fā)熱子機(jī)箱系統(tǒng)熱耗增加的可能性。因此，應(yīng)該是在機(jī)箱系統(tǒng)滿載運(yùn)行的最壞情況下，使用最大的熱耗來估計(jì)機(jī)箱系統(tǒng)所需的風(fēng)量。 ?

去掉蓋子的電子機(jī)箱系統(tǒng)

機(jī)箱系統(tǒng)所需的氣流可以通過以下計(jì)算公式或從圖表獲得，計(jì)算公式為：
這里：

Q =以cfm為單位所需的氣流（ft3 / min。）

W =以瓦為單位的熱耗

TC =溫升

例如，對(duì)于熱耗200W的機(jī)箱系統(tǒng)來說，如果其允許的溫升為20℃，那么機(jī)箱系統(tǒng)需要32cfm的氣流。

在下圖中，縱軸表示代表氣流需要帶走的熱耗，橫軸表示氣流的風(fēng)量；兩個(gè)軸都是對(duì)數(shù)的。傾斜的線條定義了溫升（℃）。通過查找該圖表，找到表示允許溫升的斜線，然后，在該線上找到與熱耗相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，此點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫軸位置即為機(jī)箱系統(tǒng)所需的氣流流量。

熱耗與機(jī)箱系統(tǒng)溫升的關(guān)系

2、機(jī)箱系統(tǒng)阻抗

確定如何在機(jī)箱系統(tǒng)內(nèi)安裝風(fēng)扇比計(jì)算所需空氣流量要困難得多。氣流路徑中的障礙物導(dǎo)致靜壓阻力。下圖顯示了典型風(fēng)扇的氣流與靜壓之間的非線性關(guān)系。為了達(dá)到最大氣流，應(yīng)盡量減少障礙物。但是，有時(shí)候需要增加擋風(fēng)板，以將冷氣流引導(dǎo)到需要冷卻的部件上。當(dāng)然，機(jī)箱系統(tǒng)組件本身也會(huì)阻礙氣流、引導(dǎo)氣流流動(dòng)。

軸流風(fēng)扇風(fēng)壓P-風(fēng)量Q曲線

通過實(shí)驗(yàn)方法得到氣流的流量是非常準(zhǔn)確的，但測(cè)試成本高，耗時(shí)長(zhǎng)，并且繁瑣。而且，幾乎不可能找到用于進(jìn)行測(cè)量的大型氣流室。

在實(shí)踐中，經(jīng)驗(yàn)方法通常用于估計(jì)氣流阻力。經(jīng)驗(yàn)表明：

① 空箱通常會(huì)使氣流減少5％至20％。

② 密集的機(jī)箱系統(tǒng)可將氣流減少60％，甚者更多。

③ 在水中大多數(shù)電子機(jī)箱系統(tǒng)的靜壓介于0.05和0.15英寸水柱之間。

對(duì)于一個(gè)密集的機(jī)箱系統(tǒng)殼體，前一個(gè)例子中的風(fēng)扇應(yīng)該能夠提供80cfm的空氣，而不是32cfm。

3、測(cè)量氣流和靜壓

可以使用AMCA標(biāo)準(zhǔn)210雙氣流室來精確測(cè)量氣流的風(fēng)量和靜壓。

方程列表和變量

Q：氣流流量=

C：噴嘴風(fēng)量系數(shù)

D：噴嘴直徑（m）

r：空氣密度=

T：溫度（℃）

P：氣壓（mm Hg）

Pn：風(fēng)量差壓（mm Aq）

Ps：靜壓（mm Aq）

g：

最大靜壓和最大風(fēng)量測(cè)量必須單獨(dú)進(jìn)行。

最大靜壓測(cè)量：當(dāng)噴嘴關(guān)閉時(shí)，腔室A中的壓力將達(dá)到最大值。壓力差Ps代表風(fēng)扇可達(dá)到的最大靜壓。

最大風(fēng)量測(cè)量：打開噴嘴，使用輔助鼓風(fēng)扇將腔室A中的壓力降低到Ps = 0。然后可以使用Pn、D和上面的空氣流量公式計(jì)算最大風(fēng)量。Q代表風(fēng)扇在自由空氣中可達(dá)到的最大流量。

4、風(fēng)扇的機(jī)箱系統(tǒng)工作點(diǎn)和風(fēng)道建議

風(fēng)扇的性能是由機(jī)箱系統(tǒng)的風(fēng)阻PQ特性曲線和風(fēng)扇的P-Q特性曲線的交叉點(diǎn)來決定。風(fēng)扇特性曲線在測(cè)量氣流和靜壓部分進(jìn)行了解釋。當(dāng)機(jī)箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)固定后，機(jī)箱系統(tǒng)的PQ特性曲線就固定不變了。它描述了空氣在特定障礙物和內(nèi)部阻力的情況下如何流過機(jī)箱系統(tǒng)。流動(dòng)阻力大致與體積流量的平方成正比例。因此，機(jī)箱系統(tǒng)中靜壓與氣流流量的關(guān)系圖是二次方的拋物線形狀。通過在各種氣流速率下測(cè)試機(jī)箱系統(tǒng)進(jìn)出口的壓力差，可以很容易地通過實(shí)驗(yàn)得到該曲線。

機(jī)箱系統(tǒng)的阻抗曲線

風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)（系統(tǒng)阻抗曲線與風(fēng)機(jī)PQ曲線交點(diǎn)）

只有設(shè)計(jì)風(fēng)扇的最佳位置，優(yōu)化機(jī)箱系統(tǒng)風(fēng)道，才能實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的全部潛力。否則，風(fēng)扇特性曲線被抑制，導(dǎo)致氣流減少。后續(xù)有一些對(duì)機(jī)箱系統(tǒng)風(fēng)道的建議，以盡量減少機(jī)箱系統(tǒng)的阻力損失。

這些計(jì)算或者建議是根據(jù)4715系列風(fēng)扇進(jìn)行的；但是，它同樣適用于其他風(fēng)扇。下圖顯示了由風(fēng)扇入口或排氣口附近的阻塞引起的風(fēng)扇特性曲線的壓縮。X是從風(fēng)扇到障礙物的距離。?

障礙物距離對(duì)風(fēng)扇特性曲線的抑制

測(cè)量風(fēng)壓的探頭會(huì)產(chǎn)生較小的阻力損失，如果放在出風(fēng)口，將使得噪音增加。在風(fēng)扇進(jìn)氣口附近放置障礙物可能會(huì)比在風(fēng)扇出口處放置障礙物引起更大的噪音。

5、選擇風(fēng)扇

通過估算所需的氣流流量，您可以選擇特定的風(fēng)扇。首先，考慮風(fēng)扇是否應(yīng)使用交流或直流電源。直流風(fēng)扇的成本較高，因此機(jī)箱系統(tǒng)機(jī)箱系統(tǒng)幾乎全部使用交流風(fēng)扇?，F(xiàn)在這個(gè)價(jià)格差異消失了，直流電風(fēng)扇的許多優(yōu)點(diǎn)使它們成為最佳選擇。直流風(fēng)扇的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是壽命更長(zhǎng)，另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是功耗比交流風(fēng)扇低近60％。據(jù)業(yè)內(nèi)專家介紹，風(fēng)扇溫度升高10℃會(huì)降低其使用壽命多達(dá)20,000小時(shí)。

另一個(gè)選擇因素是直流風(fēng)扇的速度與電壓直接成比例，因此它可以在合理的風(fēng)量要求下運(yùn)行。然而，通常風(fēng)扇運(yùn)行速度低于最大速度，進(jìn)而噪音和功率更小。?

直流風(fēng)扇的其他優(yōu)點(diǎn)包括EMI和RFI均低于交流風(fēng)扇。此外，使用交流風(fēng)扇，設(shè)計(jì)師不得不處理各種各樣的供電電壓和頻率。使用直流風(fēng)扇時(shí)，這些問題會(huì)消失?？偟膩碇v，使用直流風(fēng)扇比交流風(fēng)扇更為簡(jiǎn)單。

大多數(shù)直流風(fēng)扇有12V和24V兩種版本。高電壓是優(yōu)選的，因?yàn)樗鼘?dǎo)致更低的電流和更低的功耗。

風(fēng)扇產(chǎn)生的噪音的頻率和幅度隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加。如果可以選擇，請(qǐng)選擇低速電機(jī)以降低噪音。

在估算了機(jī)箱系統(tǒng)氣流要求和靜壓后，可以咨詢查找供應(yīng)商提供的風(fēng)扇PQ曲線，以選擇能夠提供足夠冷卻風(fēng)量的風(fēng)扇。工程師應(yīng)謹(jǐn)慎使用這些曲線，風(fēng)扇真實(shí)的PQ性能曲線可能與標(biāo)稱顯示的曲線性能相差10％。

有時(shí)在自由空氣中測(cè)試風(fēng)扇性能數(shù)據(jù)，配置不合理，也會(huì)導(dǎo)致一些誤差。此類誤差大約在0.05和0.15英寸水柱之間。

噪音對(duì)風(fēng)扇的冷卻沒有任何影響，但對(duì)機(jī)箱系統(tǒng)及用戶非常重要。應(yīng)盡可能選擇最安靜的風(fēng)扇，并應(yīng)采取措施降低風(fēng)扇的噪音。

降低噪音的一種方法是盡可能使用最大的風(fēng)扇。對(duì)于特定的氣流，尺寸較大的風(fēng)扇以較慢的速度運(yùn)行，因此產(chǎn)生的噪音較小。

如上所述，直流風(fēng)扇比交流風(fēng)扇產(chǎn)生的EMI和RFI要小得多。對(duì)于常規(guī)應(yīng)用來說，風(fēng)扇產(chǎn)生的EMI和RFI不是問題。但是，如果設(shè)備在干擾敏感的環(huán)境中運(yùn)行，EMI和RFI可能是一個(gè)嚴(yán)重的問題。

6、風(fēng)扇壽命

軸承磨損是影響風(fēng)扇壽命的主要因素。大多數(shù)風(fēng)扇制造商使用類似的軸承，因此軸承沒有太大的差別。大多數(shù)制造商承諾的壽命為50,000小時(shí)；每周40小時(shí)，這相當(dāng)于25年。因此，風(fēng)扇很可能比它冷卻的設(shè)備壽命更長(zhǎng)。如前所述，風(fēng)扇的溫度會(huì)隨著溫度的升高而顯著降低。

UL要求風(fēng)扇必須能夠承受72小時(shí)的鎖定轉(zhuǎn)子（交流風(fēng)扇15天），而不會(huì)造成任何損壞并且不會(huì)過熱。在消除鎖定轉(zhuǎn)子的原因后，風(fēng)扇也必須能夠重新啟動(dòng)并正常運(yùn)行。

阻抗限制了交流風(fēng)扇繞組中的電流，但直流風(fēng)扇在失效期間，需要電子鎖鎖定轉(zhuǎn)子，以限制電流。目前正在使用的幾種保護(hù)類型，但并非所有保護(hù)都提供自動(dòng)重啟。機(jī)箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)仔細(xì)評(píng)估風(fēng)扇的保護(hù)類型，以確保直流風(fēng)扇在移除障礙物后自動(dòng)重啟。他們還應(yīng)確保在間歇性電力中斷期間保護(hù)機(jī)箱系統(tǒng)運(yùn)行良好。

7、進(jìn)氣（鼓風(fēng)）或排氣（抽風(fēng)）？

設(shè)計(jì)人員可以選擇安裝風(fēng)扇，以便從機(jī)箱系統(tǒng)中排出熱空氣，或?qū)⒗淇諝獯等霗C(jī)箱系統(tǒng)。從理論上講，無論抽風(fēng)還是抽風(fēng)，都是相同的空氣量用于散熱。但在實(shí)際應(yīng)用中，每種布置都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。吸入風(fēng)扇的空氣是層流。層流流態(tài)將在機(jī)箱系統(tǒng)中均勻分布?xì)饬魉俣?。這對(duì)消除停滯的空氣（渦流區(qū)域）和局部溫度熱點(diǎn)很重要。

從風(fēng)扇排出的空氣是湍流的。湍流氣流中的換熱量可以達(dá)到具有相同體積流量的層流的兩倍。但是，通常來說，靠近風(fēng)扇排氣口的湍流氣流區(qū)域是非常有限的，因此對(duì)整個(gè)機(jī)箱系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)良好的氣流路徑是至關(guān)重要的。通風(fēng)口的面積應(yīng)至少比風(fēng)扇開口大50％。

必須注意消除風(fēng)扇中的空氣再循環(huán)，即風(fēng)扇出風(fēng)口熱風(fēng)的回流現(xiàn)象。由于氣流的回流問題，可能導(dǎo)致很多氣流冷卻性能的丟失。擋板可用于消除空氣的再循環(huán)回流現(xiàn)象。氣流路徑必須采用阻力最小的路徑。

機(jī)箱系統(tǒng)內(nèi)的子組件和組件應(yīng)該放置在氣流可以直接冷卻的位置上，并且放置的位置也應(yīng)充分利用自然對(duì)流冷卻。將高溫組件放在較冷組件的上游方向。避免將大尺寸組件遮擋了小尺寸器件的氣流。必要時(shí)，必須使用擋板來引導(dǎo)氣流，將其引向溫度較高的器件。

風(fēng)機(jī)hub處生成的熱風(fēng)回流現(xiàn)象

抽風(fēng)風(fēng)扇可能導(dǎo)致機(jī)箱系統(tǒng)內(nèi)壓力降低，空氣中的粉塵會(huì)通過所有通風(fēng)口和封閉機(jī)箱系統(tǒng)的裂縫吸入機(jī)箱系統(tǒng)內(nèi)部。

如果機(jī)箱系統(tǒng)要求排除灰塵，最好采用將空氣吹入機(jī)箱系統(tǒng)的風(fēng)扇，即鼓風(fēng)扇。在這種配置中，風(fēng)扇入口處的過濾器可以清除進(jìn)入空氣中的灰塵。另一個(gè)好處是，機(jī)箱系統(tǒng)內(nèi)部將生成氣流正壓區(qū)域；這樣灰塵就不會(huì)從周圍的環(huán)境中流入機(jī)箱系統(tǒng)，但是過濾器必須定期更換以消除積累的灰塵?；覊m積聚會(huì)嚴(yán)重限制氣流流動(dòng)，從而導(dǎo)致機(jī)箱系統(tǒng)中的空氣及器件的溫度升高。

鼓風(fēng)風(fēng)扇的另一個(gè)缺點(diǎn)是風(fēng)扇馬達(dá)所產(chǎn)生的熱會(huì)進(jìn)入機(jī)箱系統(tǒng)內(nèi)部，這勢(shì)必減少空氣的冷卻效率。由于這類原因，對(duì)溫度比較敏感的器件或者不耐熱的器件應(yīng)靠近風(fēng)扇的進(jìn)風(fēng)口。

在許多應(yīng)用中，使用鼓風(fēng)風(fēng)扇而不是抽風(fēng)氣扇可以使風(fēng)扇的使用壽命延長(zhǎng)一倍或三倍。熱空氣將流過風(fēng)扇，勢(shì)必影響風(fēng)扇的壽命，而鼓風(fēng)風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)溫度25℃，其壽命遠(yuǎn)超抽風(fēng)風(fēng)扇。如NMB的“保修聲明”和“風(fēng)扇壽命降額曲線”所示，溫度降低對(duì)風(fēng)扇壽命有著顯著的影響。

8、噪音影響

大多數(shù)設(shè)計(jì)需要最小的風(fēng)扇噪音以滿足用戶對(duì)安靜機(jī)箱系統(tǒng)的需求。相應(yīng)的，這勢(shì)必要求機(jī)箱系統(tǒng)尺寸更小，工作性能更高，這兩者都增加了機(jī)箱系統(tǒng)對(duì)氣流流量的需求，反過來又增加了噪音。

機(jī)械噪音可能由軸承的振動(dòng)或葉片的不平衡旋轉(zhuǎn)引起。如果這種振動(dòng)頻率與機(jī)箱系統(tǒng)的任何共振頻率相匹配，則它可以被放大到不可容忍的、甚至是破壞性的水平。電機(jī)馬達(dá)也會(huì)產(chǎn)生噪音；但這是冷卻機(jī)箱系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲的一小部分。

所有這些噪聲成分都是風(fēng)扇設(shè)計(jì)中固有的，幾乎完全不受機(jī)箱系統(tǒng)機(jī)箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的控制。但是有一些細(xì)節(jié)或者建議，可以幫助機(jī)箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)者盡量減少噪音：

① 避免在靠近風(fēng)扇的高風(fēng)速區(qū)域放置障礙物。

② 使用隔振器消除機(jī)械噪聲從風(fēng)扇到機(jī)箱系統(tǒng)的傳遞。

③ 使用加強(qiáng)結(jié)構(gòu)來控制機(jī)箱系統(tǒng)的共振頻率。

④ 將風(fēng)扇安裝在機(jī)箱系統(tǒng)的內(nèi)表面上而不是安裝在外表面。

⑤ 障礙物放置在風(fēng)扇進(jìn)氣口附近比放置在風(fēng)扇出風(fēng)口附近產(chǎn)生更多的噪音。

在比較不同風(fēng)扇制造商的噪音規(guī)格時(shí)，設(shè)計(jì)師應(yīng)該非常謹(jǐn)慎。盡管已經(jīng)提出了一種標(biāo)準(zhǔn)的噪聲測(cè)量方法，但它并未被所有風(fēng)扇制造商和用戶所接受，這種方法是ANSI 1211方法。

9、多個(gè)風(fēng)扇聯(lián)合使用

盡管你付出了最大努力，但在設(shè)計(jì)完成后，可能會(huì)出現(xiàn)“額外冷卻”的工況。為了應(yīng)對(duì)這種工況，你應(yīng)該首先選擇一個(gè)特定尺寸低等或中等的氣流風(fēng)扇。然后，如果需要更多的冷卻空氣，則很容易更換現(xiàn)有的風(fēng)扇。

相比之下，如果最初選擇的風(fēng)扇性能較高，那么需要對(duì)“額外冷卻”進(jìn)行考慮，就必須重新設(shè)計(jì)機(jī)箱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局。

當(dāng)對(duì)額外冷卻進(jìn)行考慮，又不能使用相同尺寸的更高性能的風(fēng)扇時(shí)，可以通過以下四種方案進(jìn)行考慮：

① 改善機(jī)箱系統(tǒng)內(nèi)的氣流組織。

② 重新設(shè)計(jì)機(jī)箱系統(tǒng)以使用更大的風(fēng)扇。

③ 修改機(jī)箱系統(tǒng)以并行使用兩個(gè)或多個(gè)風(fēng)扇。

④ 修改機(jī)箱系統(tǒng)以使用兩個(gè)或更多風(fēng)扇系列。

通常，通過改善機(jī)箱系統(tǒng)內(nèi)的氣流組織或通過改變通風(fēng)口的位置或尺寸可以提供足夠的額外冷卻。如果您無法通過修改氣流來改進(jìn)，那么首選的解決方案是修改機(jī)箱系統(tǒng)以接受更大的風(fēng)扇。這允許選擇與機(jī)箱系統(tǒng)要求相匹配的風(fēng)扇。但有時(shí)候，這種選擇是不可能的?？赡軣o法獲得具有足夠性能的風(fēng)扇，或者由于尺寸限制可能禁止使用更大的風(fēng)扇。這些情況需要一個(gè)或多個(gè)額外的風(fēng)扇。

在某些情況下，使用額外的風(fēng)扇來增加機(jī)箱系統(tǒng)內(nèi)的空氣流量。此外，備用風(fēng)扇的設(shè)計(jì)可用于提高機(jī)箱系統(tǒng)可靠性。

但是額外的風(fēng)扇可能會(huì)產(chǎn)生問題。它使成本增加一倍，噪音加倍，風(fēng)扇產(chǎn)生的熱量增加一倍，并且可能只為系統(tǒng)的冷卻提供很少的改善。

風(fēng)機(jī)并聯(lián)P-Q曲線的修改

并行的兩個(gè)風(fēng)扇僅在自由空氣情況下使得氣流加倍。如果機(jī)箱系統(tǒng)具有高靜壓，則這種布置增加的流量比較少。兩個(gè)風(fēng)扇串聯(lián)將使得靜壓加倍，但在自由空氣情況下不會(huì)增加氣流流量。風(fēng)扇并行可以在低靜壓情況下增加氣流的流量，然后再使得風(fēng)扇串聯(lián)，可以進(jìn)一步增加風(fēng)扇的靜壓。

風(fēng)機(jī)串聯(lián)P-Q曲線的修改

另外，并聯(lián)串聯(lián)的多個(gè)風(fēng)扇對(duì)機(jī)箱系統(tǒng)本身的散熱影響也不容忽視。

編輯：黃飛

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